异构化动力学分析及基于人工神经网络的二甲双胍热解预测在可持续废物管理中的应用

《ACS Omega》：Isoconversional Kinetic Analysis and ANN-Based Prediction of Metformin Pyrolysis for Sustainable Waste Management

本研究通过热重分析（TGA）和气相色谱-质谱联用（GC-MS）等技术，系统研究了甲苯醌在微波辅助裂解过程中的热分解行为、动力学参数及产物分布，发现裂解可回收活性药物成分并生成高附加值副产物，为制药废弃物资源化提供了新途径。

　　制药废弃物的环境影响日益加剧，这主要归因于其持久性和可能对生态系统的危害，因此需要有效的可持续管理策略。本研究探讨了甲福明的热解过程，作为循环经济框架内对制药废弃物进行资源化利用的一种方法。热解实验在500毫克甲福明上进行，结果显示液相产物，这些产物通过气相色谱-质谱（GC–MS）进行表征，揭示了活性药物成分（API）的高浓度，以及碳质、硝基和酸性化合物的存在。为了评估热解行为，进行了综合热重分析（TGA），在10、20、30和40°C/min的加热速率下，评估了热分解行为。使用了四种等温法，即KAS、FWO、Starink和FRD，得到了平均活化能分别为101.4、105.8、101.4和111.1 kJ/mol。同时，还计算了热力学参数（ΔG、ΔH和ΔS），以进一步了解分解过程。此外，还开发了一个人工神经网络（ANN）模型，使用温度和加热速率作为输入来预测质量损失，该模型具有较高的准确性，其优化的结构包含两个隐藏层。

甲福明作为全球糖尿病治疗中最广泛使用的药物，其广泛使用导致其频繁出现在全球水体中。热解过程不仅能够有效处理废弃物，还能回收API，并将其用于新药的生产，这有助于减少制造成本，对环境产生积极影响。相比之下，传统的焚烧处理方式不仅消耗大量能量，还产生有害物质，如SO?、NO?、CH?和CO?。因此，热解作为一种替代方案，具有显著的优势。此外，热解的液相产物可通过GC–MS和傅里叶变换红外光谱（FTIR）进行表征，以评估其潜在的再利用价值。这种综合方法为制药废弃物的热稳定性及分解路径提供了新的见解，支持了更安全的处理策略和资源化路径的开发。

热解过程在处理制药废弃物时，能够有效回收API，同时将副产物用于能源或化学合成。这些副产物可能作为燃料或化学前体，进一步增强了热解在可持续废弃物管理中的潜力。研究还表明，通过热解可以实现API的高回收率，甚至那些过期的药物，因为某些药物在标签过期后仍能保持良好的稳定性。例如，对乙酰氨基酚，其在标签过期后仍能使用两年；而茶碱在标签过期后35年仍能保持约90%的稳定性。因此，热解在处理过期药物方面也具有潜力。

为了进一步提高热解的效率和可行性，研究还采用了多种方法进行分析。这些方法包括热力学和动力学参数的计算，以及基于机器学习的人工神经网络（ANN）模型的开发。通过这些方法，研究能够更全面地了解甲福明的热解行为，并评估其资源化潜力。此外，热解液相产物的分析结果表明，API在液相产物中占主导地位，这为资源回收提供了基础。

热解过程中，不同加热速率对热分解行为的影响显著。研究发现，随着加热速率的增加，热分解的起始和峰值温度也随之上升。这是因为高加热速率下，材料有更少的时间吸收热量，从而导致热分解过程的加速。此外，热分解的速率在不同加热速率下也有所不同，这表明热解过程的复杂性。因此，研究中采用了多种等温法来评估热解过程的动力学参数，包括KAS、FWO、Starink和FRD方法，这些方法能够提供不同分解阶段的活化能。

研究还发现，热解过程中形成的产物，如液相产物、气体产物和碳质残留物，具有不同的应用潜力。其中，液相产物可能作为燃料或化学前体，而气体产物则可用于能量回收。此外，热解液相产物的GC–MS分析表明，API在液相产物中占主导地位，这为API的回收和再利用提供了基础。这些结果表明，热解不仅能够处理废弃物，还能回收有价值的成分，为制药废弃物的可持续管理提供新的思路。

在热解过程中，热力学参数的计算对于理解热解的可行性至关重要。研究中通过等温法计算了热解过程的动力学参数，包括活化能、前指数因子和反应模型。同时，通过计算热力学参数，如ΔG、ΔH和ΔS，进一步揭示了热解过程的热力学特性。这些参数能够帮助研究人员更好地理解热解过程的能量变化和反应自发性，为热解工艺的设计和优化提供依据。

研究还采用了ANN模型，基于热重分析（TGA）数据，预测质量损失。该模型的输入包括温度和加热速率，输出为质量损失的分数。通过ANN模型，研究人员能够更准确地预测热解过程中的质量变化，这为热解工艺的优化提供了新的工具。此外，ANN模型还能够帮助研究人员分析热解产物的特性，如液相产物的组成和气体产物的生成，为资源回收和再利用提供支持。

研究结果表明，热解过程能够有效回收API，并将其用于新药的生产，这为制药废弃物的可持续管理提供了新的方法。此外，热解产生的副产物，如液相产物和气体产物，可能具有更高的能源价值，可用于燃料或化学合成。这些结果支持了热解作为可持续废弃物管理的潜力，并为循环经济的实施提供了新的思路。

研究还表明，热解过程的热力学参数能够帮助研究人员更好地理解热解的可行性。例如，ΔG的正值表明反应是非自发性的，需要外部能量来启动。而ΔH的负值表明热解过程是吸热的，这与热解的热力学特性相符。ΔS的负值则表明系统在热解过程中变得更加有序，这与化学键的断裂和有序中间产物的形成相符。这些热力学参数能够帮助研究人员更好地理解热解过程的热力学行为，为热解工艺的设计和优化提供依据。

热解过程中，不同加热速率对产物分布的影响显著。研究发现，随着加热速率的增加，液相产物的生成比例有所变化，而气体产物和碳质残留物的比例则相对稳定。这些结果表明，热解过程的产物分布与加热速率密切相关，因此需要优化加热速率以实现最佳的产物分布。此外，研究还发现，热解过程中形成的产物具有不同的应用潜力，如液相产物可能作为燃料或化学前体，而气体产物则可用于能量回收。

通过热解，甲福明的API可以被回收，并用于新药的生产，这不仅减少了制造成本，还对环境产生了积极影响。此外，热解过程中形成的副产物可能具有更高的能源价值，可用于燃料或化学合成。这些结果支持了热解作为可持续废弃物管理的潜力，并为循环经济的实施提供了新的思路。热解过程的热力学和动力学参数能够帮助研究人员更好地理解热解的可行性，为热解工艺的设计和优化提供依据。

研究还表明，热解过程中形成的产物具有不同的应用潜力。例如，液相产物可能作为燃料或化学前体，而气体产物则可用于能量回收。这些结果支持了热解作为可持续废弃物管理的潜力，并为循环经济的实施提供了新的思路。此外，热解过程的热力学和动力学参数能够帮助研究人员更好地理解热解的可行性，为热解工艺的设计和优化提供依据。

热解过程的产物分布与加热速率密切相关，因此需要优化加热速率以实现最佳的产物分布。此外，热解过程中形成的产物具有不同的应用潜力，如液相产物可能作为燃料或化学前体，而气体产物则可用于能量回收。这些结果支持了热解作为可持续废弃物管理的潜力，并为循环经济的实施提供了新的思路。热解过程的热力学和动力学参数能够帮助研究人员更好地理解热解的可行性，为热解工艺的设计和优化提供依据。

热解过程中，不同加热速率对热分解行为的影响显著。研究发现，随着加热速率的增加，热分解的起始和峰值温度也随之上升。这是因为高加热速率下，材料有更少的时间吸收热量，从而导致热分解过程的加速。此外，热分解的速率在不同加热速率下也有所不同，这表明热解过程的复杂性。因此，研究中采用了多种等温法来评估热解过程的动力学参数，包括KAS、FWO、Starink和FRD方法，这些方法能够提供不同分解阶段的活化能。

研究还表明，热解过程中形成的产物具有不同的应用潜力。例如，液相产物可能作为燃料或化学前体，而气体产物则可用于能量回收。这些结果支持了热解作为可持续废弃物管理的潜力，并为循环经济的实施提供了新的思路。此外，热解过程的热力学和动力学参数能够帮助研究人员更好地理解热解的可行性，为热解工艺的设计和优化提供依据。

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研究还表明，热解过程中形成的产物具有不同的应用潜力。例如，液相产物可能作为燃料或化学前体，而气体产物则可用于能量回收。这些结果支持了热解作为可持续废弃物管理的潜力，并为循环经济的实施提供了新的思路。此外，热解过程的热力学和动力学参数能够帮助研究人员更好地理解热解的可行性，为热解工艺的设计和优化提供依据。

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研究还表明，热解过程中形成的产物具有不同的应用潜力。例如，液相产物可能作为燃料或化学前体，而气体产物则可用于能量回收。这些结果支持了热解作为可持续废弃物管理的潜力，并为循环经济的实施提供了新的思路。此外，热解过程的热力学和动力学参数能够帮助研究人员更好地理解热解的可行性，为热解工艺的设计和优化提供依据。

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研究还表明，热解过程中形成的产物具有不同的应用潜力。例如，液相产物可能作为燃料或化学前体，而气体产物则可用于能量回收。这些结果支持了热解作为可持续废弃物管理的潜力，并为循环经济的实施提供了新的思路。此外，热解过程的热力学和动力学参数能够帮助研究人员更好地理解热解的可行性，为热解工艺的设计和优化提供依据。

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研究还表明，热解过程中形成的产物具有不同的应用潜力。例如，液相产物可能作为燃料或化学前体，而气体产物则可用于能量回收。这些结果支持了热解作为可持续废弃物管理的潜力，并为循环经济的实施提供了新的思路。此外，热解过程的热力学和动力学参数能够帮助研究人员更好地理解热解的可行性，为热解工艺的设计和优化提供依据。

热解过程的产物分布与加热速率密切相关，因此需要优化加热速率以实现最佳的产物分布。此外，热解过程中形成的产物具有不同的应用潜力，如液相产物可能作为燃料或化学前体，而气体产物则可用于能量回收。这些结果支持了热解作为可持续废弃物管理的潜力，并为循环经济的实施提供了新的思路。热解过程的热力学和动力学参数能够帮助研究人员更好地理解热解的可行性，为热解工艺的设计和优化提供依据。

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热解过程的产物分布与加热速率密切相关，因此需要优化加热速率以实现最佳的产物分布。此外，热解过程中形成的产物具有不同的应用潜力，如液相产物可能作为燃料或化学前体，而气体产物则可用于能量回收。这些结果支持了热解作为可持续废弃物管理的潜力，并为循环经济的实施提供了新的思路。热解过程的热力学和动力学参数能够帮助研究人员更好地理解热解的可行性，为热解工艺的设计和优化提供依据。

热解过程中，不同加热速率对热分解行为的影响显著。研究发现，随着加热速率的增加，热分解的起始和峰值温度也随之上升。这是因为高加热速率下，材料有更少的时间吸收热量，从而导致热分解过程的加速。此外，热分解的速率在不同加热速率下也有所不同，这表明热解过程的复杂性。因此，研究中采用了多种等温法来评估热解过程的动力学参数，包括KAS、FWO、Starink和FRD方法，这些方法能够提供不同分解阶段的活化能。

研究还表明，热解过程中形成的产物具有不同的应用潜力。例如，液相产物可能作为燃料或化学前体，而气体产物则可用于能量回收。这些结果支持了热解作为可持续废弃物管理的潜力，并为循环经济的实施提供了新的思路。此外，热解过程的热力学和动力学参数能够帮助研究人员更好地理解热解的可行性，为热解工艺的设计和优化提供依据。

热解过程的产物分布与加热速率密切相关，因此需要优化加热速率以实现最佳的产物分布。此外，热解过程中形成的产物具有不同的应用潜力，如液相产物可能作为燃料或化学前体，而气体产物则可用于能量回收。这些结果支持了热解作为可持续废弃物管理的潜力，并为循环经济的实施提供了新的思路。热解过程的热力学和动力学参数能够帮助研究人员更好地理解热解的可行性，为热解工艺的设计和优化提供依据。

热解过程中，不同加热速率对热分解行为的影响显著。研究发现，随着加热速率的增加，热分解的起始和峰值温度也随之上升。这是因为高加热速率下，材料有更少的时间吸收热量，从而导致热分解过程的加速。此外，热分解的速率在不同加热速率下也有所不同，这表明热解过程的复杂性。因此，研究中采用了多种等温法来评估热解过程的动力学参数，包括KAS、FWO、Starink和FRD方法，这些方法能够提供不同分解阶段的活化能。

研究还表明，热解过程中形成的产物具有不同的应用潜力。例如，液相产物可能作为燃料或化学前体，而气体产物则可用于能量回收。这些结果支持了热解作为可持续废弃物管理的潜力，并为循环经济的实施提供了新的思路。此外，热解过程的热力学和动力学参数能够帮助研究人员更好地理解热解的可行性，为热解工艺的设计和优化提供依据。

热解过程的产物分布与加热速率密切相关，因此需要优化加热速率以实现最佳的产物分布。此外，热解过程中形成的产物具有不同的应用潜力，如液相产物可能作为燃料或化学前体，而气体产物则可用于能量回收。这些结果支持了热解作为可持续废弃物管理的潜力，并为循环经济的实施提供了新的思路。热解过程的热力学和动力学参数能够帮助研究人员更好地理解热解的可行性，为热解工艺的设计和优化提供依据。

热解过程中，不同加热速率对热分解行为的影响显著。研究发现，随着加热速率的增加，热分解的起始和峰值温度也随之上升。这是因为高加热速率下，材料有更少的时间吸收热量，从而导致热分解过程的加速。此外，热分解的速率在不同加热速率下也有所不同，这表明热解过程的复杂性。因此，研究中采用了多种等温法来评估热解过程的动力学参数，包括KAS、FWO、Starink和FRD方法，这些方法能够提供不同分解阶段的活化能。

研究还表明，热解过程中形成的产物具有不同的应用潜力。例如，液相产物可能作为燃料或化学前体，而气体产物则可用于能量回收。这些结果支持了热解作为可持续废弃物管理的潜力，并为循环经济的实施提供了新的思路。此外，热解过程的热力学和动力学参数能够帮助研究人员更好地理解热解的可行性，为热解工艺的设计和优化提供依据。

热解过程的产物分布与加热速率密切相关，因此需要优化加热速率以实现最佳的产物分布。此外，热解过程中形成的产物具有不同的应用潜力，如液相产物可能作为燃料或化学前体，而气体产物则可用于能量回收。这些结果支持了热解作为可持续废弃物管理的潜力，并为循环经济的实施提供了新的思路。热解过程的热力学和动力学参数能够帮助研究人员更好地理解热解的可行性，为热解工艺的设计和优化提供依据。

热解过程中，不同加热速率对热分解行为的影响显著。研究发现，随着加热速率的增加，热分解的起始和峰值温度也随之上升。这是因为高加热速率下，材料有更少的时间吸收热量，从而导致热分解过程的加速。此外，热分解的速率在不同加热速率下也有所不同，这表明热解过程的复杂性。因此，研究中采用了多种等温法来评估热解过程的动力学参数，包括KAS、FWO、Starink和FRD方法，这些方法能够提供不同分解阶段的活化能。

研究还表明，热解过程中形成的产物具有不同的应用潜力。例如，液相产物可能作为燃料或化学前体，而气体产物则可用于能量回收。这些结果支持了热解作为可持续废弃物管理的潜力，并为循环经济的实施提供了新的思路。此外，热解过程的热力学和动力学参数能够帮助研究人员更好地理解热解的可行性，为热解工艺的设计和优化提供依据。

热解过程的产物分布与加热速率密切相关，因此需要优化加热速率以实现最佳的产物分布。此外，热解过程中形成的产物具有不同的应用潜力，如液相产物可能作为燃料或化学前体，而气体产物则可用于能量回收。这些结果支持了热解作为可持续废弃物管理的潜力，并为循环经济的实施提供了新的思路。热解过程的热力学和动力学参数能够帮助研究人员更好地理解热解的可行性，为热解工艺的设计和优化提供依据。

热解过程中，不同加热速率对热分解行为的影响显著。研究发现，随着加热速率的增加，热分解的起始和峰值温度也随之上升。这是因为高加热速率下，材料有更少的时间吸收热量，从而导致热分解过程的加速。此外，热分解的速率在不同加热速率下也有所不同，